Транзисторная ячейка мощного СВЧ-планарного транзистора Советский патент 1986 года по МПК H01L29/70 

Изобретение относится к области микроэлектроники.

В настоящее время самое широкое , распространение для мощных СВЧтра Э.исторов получили два типа структур - гребенчатая и ячеистая.В ячеис- той структуре соединяются параллельно неотдельные эмиттеры, а ряд изолированньк один от другого законченных транзисторов, изготовленных на одном кристалле и назьшаемьк ячейками, причем каждая ячейка имеет обычно гребенчатую структуру активных областей. Таких ячеек в транзисторе может быть несколько десятков.

Совершенно очевидно, что эксплуатационные параметры транзисторной структуры во многом зависят от конструкции транзисторной ячейки.

Транзисторные ячейки обычно изготавливают на однослойных эпитаксиальных структурах, в которых верхний высокоомный эпитаксиальный слой

выращен на исходной низкоомной моно-

кристаллической подложке.

Область эпитаксиального слоя является коллекторной, а в базовых дн узионных областях расположены диффузионные эмиттеры.

Общее требование, которое необходимо выполнять при проектировании мощных СВЧ-транзисторов, с точки зрения обеспечения устойчивости к электрическому втюричному пробою при высоких КСВН - это увеличивать произведение концеитра.ции примесей в коллекторном слое на толщину этого слоя (т.е. Nci«) настолько, насколько это возможно.

При использовании однослойных эпитаксиальных структур в этом направлении возникают принципиальные ограничения.

Во-первых - уменьшение концентра1Ц1и примеси в коллекторной области возможно только до вполне известного предела, так как при превьппении этого предела не будут обеспечиваться необходимые пробивные напряжения коллектора.

Во-вторых - увеличение толщины эпитаксиального слоя коллектора таке имеет свой предел, поскольку это приводит к возрастанию последовательного сопротивления в коллекторе, к : возрастанию паразитной потери мощное- ти на этом сопротивлении и, как следствие, к уменьшению полезной выходной мощности насьщения и КПД.

.Наиболее близким техническим решением к настоящей задаче является

транзисторная ячейка мощного СВЧ-планарного транзистора, состоящая из эмиттерных областей одного типа проводимости, базовой области другого типа проводимости, коллекторной области, состоящей из двух эпитаксиальньгх слоев с различным удельным сопротивлением того же типа проводимости, что и эмиттерные области.

Б варианте прототипа одновременное

обеспечение большой выходной мощности и КПД и устойчивости к электрическому вторичному пробою при высоких КСВН невозможно по следующим причинам.

Верхний низкоомный слой в варианте npoTOTiffla можно делать только тонким, поскольку в противном случае не будет обеспечен необходимый уровень пробивного напряжения коллекторного перехода. Следовательно воз-f можность увеличения толщины этого верхнего-низкоомного слоя с целью обеспечения устойчивости к электрическому вторичному пробою и надежной работы в условиях больщих КСВН, принципиально ограничена. В варианте заявителя этого ограничения нет, поскольку низкоомный слой является нижним.

Толщину нижнего высокоомного

слоя в варианте прототипа также нельзя увеличивать значительно (для рещения задачи устойчивости транзисторов при высоких КСВН), поскольку

при этом неизбежно уменьшение выходной мощности насыщения и КПД из-за возрастания последовательного интегрального сопротивления слоя коллектора.

Таким образом вариант прототипа при суммарной толщине двух слоев в мкм не может обеспечить надежную (безотказную работу) транзисторов в условиях рассогласования при больших

КСВН. Лучшее, что может обеспечить такая структура - это устойчивую работу при ,5-3.

Целью изобретения является обеспечение полной устойчивости транзистора ко вторичному прибою.

Указанная цель достигается тем, что верхний эпитаксиальный коллекторный слой, прилегающий к базовой

области, вьтолнен высокоомным, а нижний - низкоомным.

В частности, удельное сопротивление верхнего эпитаксиального коллекторного слоя может быть в 3-А ра за больше удельного сопротивления нижнего слоя.

На чертеже показан поперечный разрез транзисторной ячейки, выполненной согласно изобретению, где изображены исходная монокристаллическая пластина I, низкоомный эпитаксиальный коллекторный слой 2, высокоомный эпитаксиальный коллекторный слой 3, базовая область 4, эмиттерные области 5.

. Присутствие нижней низкоомной области с удельным сопротивлением р в 3-4 раза меньшим удельного сопротивления верхней высокоомной области PJ , позволяет также решить задачу обеспечения устойчивости ко вторичному электрическому пробою (как известно, для обеспечения решения такой задачи необходимо реализовать максимально возможную величину произведения концентрации примесей в коллекторном слое на толщину этого слоя), так как, во-первых, позволяет уменьшить общую {интегральную) концентрацию примесей в коллекторном слое по сранению с однослойными структурами сравнимой толщины и, во-вторых, позволяет в широких пределах (путем подбора комбинации концентрации примесей Ncj, и толщины h нижнего низкоомного слоя) увеличивать общую толщину эпитаксиальной коллекторной области h и тем самым гарантировать устойчивость транзисторов в режимах вьюоких КСБН при одновременном обеспечении большего уровня выходной мощности и КПД, чем на однойслойных структурах с такой же толщиной коллекторной области.

Пример. Геометрия кристалла СВЧ-мощного транзистора спроектирована так, что транзистор, в принципе, способен обеспечить определенный уровень выходной мощности насыщения Pgbix КПД) Однако в действительности он обеспечивает зти показатели только при использовании эпитаксиальных структур с тонким коллекторным слоем (скажем, менее Ю мкм) и определенной концентрацией примеси в этом слое (например,Ndy, 2,0 10 смЗ, что соответствует р ,5 Ом-см). При этом оказывается, что транзистор неспособен работать надежно в условиях даже небольшого рассогласования и выходит из строя при небольших КСВ f нагрузки. Обеспечить его надежную работу и полную устойчивость к высоким КСВН в данном случае (однослойные эпитаксиальные структуры) можно только путем значительного увеличения толщины коллекторного слоя (до значения, например, 20-25 мкм) т.к. лимиты по снижению концентрации примесей уже исчерпаны с точки зрения пробивных напряжений. Однако при этом резко упадет уровень выходной мощности насьш1ения и КПД из-за возрастания паразитного conpoTi-шлени тела коллектора.

Используя же вариант заявителя, можно одновременно выполнить требования в отношении обеспечения с одной стороны высокого (расчетного) уровня P, и КПД и, с другой стороны - надежной работы транзистора при, любых условиях рассогласования (кСВН доос) .

Достаточно, например, использо- вать верхний высокоомный слой с концентрацией примесей Ncl, Nd, 2,0 X 10 см и толщиной Vi 4-6 мкм и нижний низкоомный слой с концентрацией Nd, скажем, 7- 10 см р 0,5 - 0,8 Ом-см) и толщиной 11 10-12 мкм. В этом случае суммарное значение концентрации примесей меньше и толщины коллекторного слоя, меньше чем в случае однослойных эпитаксиальных структур. Это и позволяет обеспечить высокую надежность и устойчивость в условиях больших КСВН и одновременно повысить уровень выходной мощности насьш;ения и кпд.

Данньш вариант имеет принципиальные преимущества перед вариантом прототипа, которые заключаются в том, что он позволяет обеспечить надежную работу транзисторов в условиях любого рассогласования нагрузки (КСВН до ) , в то время, как вариант прототипа имеет принципиальные ограничения, связанные с невозможностью увеличения толщин эпитак- сиаяьных слоев (низкоомного и высокоомного).

55984686

Толщины и концентрацию обоих ело- шой номенклатуры СВЧ-транзистоев в варианте заявителя можно варьи- ров, в то время как в варианровать в широких пределах и тем те прототипа такой возможности

самым решать задачи создания боль-5

1. ТРАНЗИСТОРНАЯ ЯЧЕЙКА МОЩНОГО СВЧ-ПЛАНАРНОГО ТРАНЗИСТОРА, состоящая из эмиттерных областей одного типа проводимости, базовой области другого типа проводимости, коллекторной области, состоящей издвух эпитаксиальных слоев с различ- Hbw удельным сопротивлением того же типа проводимости, что и эмиттерных областей, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения полной устойчивости транзистора по вторичному электрическому пробою, верхний эпитаксиальный коллекторный слой, прилегающий к базовой области, выполнен высокоомным, а нижний - низ- коомным,2. Транзисторная ячейка мощного СВЧ-планарного тра.нзистора по п. 1, отличающаяся тем, что ' удельное сопротивление верхнего эпи- таксиального коллекторного слоя в 3-4 раза больше удельного сопро^-ив- ления нижнего слоя.iСЛелсо00 »^ О5 00